パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置
【課題】本発明の課題は、生産性の低下を抑制するとともに配線インダクタンスの低減を図ることである。
【解決手段】上記課題を解決するために、上アーム回路部を有する第１パッケージと、下アーム回路部を有する第２パッケージと、第１及び第２パッケージを収納するための収納空間及びその収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体とを備え、前記ケースは、第１放熱部と前記収納空間を介してその第１放熱部と対向する第２放熱部とを含み、前記第１パッケージは、当該第１及び第２パッケージとの配置方向が前記第１及び前記第２の放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１パッケージから延びるエミッタ側端子と前記第２パッケージから延びるコレクタ側端子とを接続される。
【解決手段】上記課題を解決するために、上アーム回路部を有する第１パッケージと、下アーム回路部を有する第２パッケージと、第１及び第２パッケージを収納するための収納空間及びその収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体とを備え、前記ケースは、第１放熱部と前記収納空間を介してその第１放熱部と対向する第２放熱部とを含み、前記第１パッケージは、当該第１及び第２パッケージとの配置方向が前記第１及び前記第２の放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１パッケージから延びるエミッタ側端子と前記第２パッケージから延びるコレクタ側端子とを接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給するパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置では、大電流を出力することができるものが求められている一方、小型化も要求されている。電力変換装置が大電流を出力しようとすると、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子で発生する熱が大きくなり、パワー半導体モジュールや電力変換装置の熱容量を大きくしなければパワー半導体素子の耐熱温度に達してしまい、小型化の妨げとなる。そこでパワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体モジュールが開発されている。
【０００３】
上記両面冷却型パワー半導体モジュールは上記パワー半導体素子の両主面を板状導体であるリードフレームで挟み込み、パワー半導体素子の主面と対向する面と反対側のリードフレームの面が冷却媒体と熱的に接続され、冷却される。
【０００４】
特許文献１にはパワー半導体素子を一対の金属体で挟んだものをモールド樹脂にて封止してなる半導体パッケージ同士を、バスバーを介することなく電気的に接続するために前記金属体に接続端子を設けてこれを電気的に接続して半導体装置を構成するという発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３５６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体パッケージが１相分の上アーム回路及び下アーム回路を１つのパッケージとして、かつ３相分設ける場合には、３つの半導体パッケージを設ける必要がある。さらに半導体パッケージが１相分の上アーム回路または下アーム回路を１つのパッケージとして、かつ３相分設ける場合には、６個の半導体パッケージを設ける必要がある。出力電流が増大した場合には、上アーム回路または下アーム回路において半導体パッケージを電気的に並列に接続させる場合が想定され、さらに半導体パッケージの数が多くなる。そのため半導体パッケージの生産性の向上が重要になる。
【０００７】
一方で、生産性の向上が配線インダクタンスの増大に繋がってしまうと、電力変換装置の出力の増大の妨げとなってしまう。例えば、上アーム回路及び下アーム回路を構成するインバータ回路のスイッチング動作時には、上下アームを貫通する過渡電流が流れ、これが配線の寄生インダクタンスの影響を受けて跳ね上がり電圧やサージ及びノイズの原因となりパワー半導体素子の損失増大や誤動作の原因となる。
【０００８】
本発明の課題は、生産性の低下を抑制するとともに配線インダクタンスの低減を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュール及びそれを備えた電力変換装置は、インバータ回路を構成する上アーム回路部を有する第１パッケージと、インバータ回路を構成する下アーム回路部を有する第２パッケージと、前記第１パッケージ及び前記第２パッケージを収納するための収納空間及び当該収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体と、を備え、前記ケースは、第１放熱部と、前記収納空間を介して当該第１放熱部と対向する第２放熱部とを含んで構成され、前記第１パッケージは、当該第１パッケージと前記第２パッケージとの配置方向が前記第１放熱部と前記第２放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、
前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１パッケージから延びるエミッタ側端子と前記第２パッケージから延びるコレクタ側端子とを接続される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、生産性の低下を抑制することができるとともに配線インダクタンスの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の断面図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の内部構造を示しており、（ｂ）は、第一封止樹脂３３６によって封止された状態のパッケージ３０１を示しており、（ｃ）は、パッケージ３０１に対応した回路図を示している。
【図４】（ａ）は、パッケージ３０１及び反転させたパッケージ３０１′とバスバーコネクタ３１７の接続構造を示しており、（ｂ）は、（ａ）に対応した回路図を示している。
【図５】（ａ）は、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′のそれぞれの第一封止樹脂３５０の表面３３７及び３３７′と絶縁部材３３３及び３３３′との接合工程を示す図であり、（ｂ）は、絶縁部材３３３及び３３３′が接合されたパッケージ３０１及び３０１′の断面図である。
【図６】（ａ）は、パッケージ３０１を冷却器３０４に挿入する工程を示す斜視図である。（ｂ）及び（ｃ）は冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１と接合する工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、冷却器３０４のベース部３０７Ｃの反り３１１とベース部３０７Ｂの傾き３１２を示す断面図である。（ｂ）は、薄肉部３０５が変位して、冷却器３０４とパッケージ３０１及びパッケージ３０１′が接合した状態を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、ＩＧＢＴ１５５のスイッチング動作時において、上アーム回路部と下アーム回路部を貫通する過渡電流の１つ、ダイオード１５６のリカバリー電流１００の経路を示した回路図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００に流れるリカバリー電流１００の経路を示した斜視図である。
【図９】パワー半導体モジュール３００を電力変換装置の筺体１２へ組み付ける工程を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１３】
〔実施例〕
本実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【００１５】
本実施形態に係る電力変換装置では、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。
【００１６】
車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。
【００１７】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１８】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
【００１９】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００２０】
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００２１】
インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００２２】
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２３】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２４】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ４３装置に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
【００２５】
図２乃至図６を用いて本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００を説明する。
【００２６】
図２（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図であり、図２（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の断面図である。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６は、コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４により両面からそれぞれ挟まれている。コレクタ導体板３１３はＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極及びダイオード１５６のアノード電極と金属接合材を介して接続され、エミッタ導体板３１４はＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極及びダイオード１５６のカソード電極と金属接合材を介して固着される。
【００２８】
後述されるバスバーコネクタ３１７は、各部配線と端子部を一体成型して構成され、冷却器３０４内部から外部に向かって延びる端子と接続される。
【００２９】
冷却器３０４は、金属製であり、具体的にはアルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等で構成され、かつ挿入口３０６以外に開口を設けないように構成されるケース部材である。冷却器３０４の挿入口３０６が形成される面にはフランジ３０４Ａが形成される。また冷却器３０４は、他の冷却器３０４の面より広い面を有する第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃが互いに対向した状態で配置される。なお冷却器３０４は、正確な直方体である必要が無く、角が曲面していても良い。冷却器３０４がこのような金属製の有底筒状のケースとすることで、水や油などの冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体に対するシールをフランジ３０４Ａにて確保できるため、冷却媒体が冷却器３０４の内部及び端子部分に侵入するのを、簡易な構成にて防ぐことができる。
【００３０】
また第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃの外壁にはフィン３０９が均一に形成されている。第１放熱部３０４Ｂを囲む外周部及び第２の放熱部３０４Ｃを囲む外周部には、第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃの厚みよりも薄くなっている薄肉部３０５が形成されている。薄肉部３０５は、フィン３０９を加圧することにより、第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４が変形することなく薄肉部３０５が変形することができる程度までその厚みを薄くしてある。これにより、ＩＧＢＴ１５５やコレクタ導体板３１３等により構成されるパッケージ３０１が冷却器３０４に挿入された後、薄肉部３０５を変位させて、絶縁部材３３３を介して冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１の表面とを接合することができる。
【００３１】
パッケージ３０１は、ＩＧＢＴ１５５やコレクタ導体板３１３等を第一封止樹脂３５０により封止されるように構成され、パッケージ３０１の全体が冷却器３０４の中に挿入される。冷却器３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１が充填される。
【００３２】
図３（ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の内部構造を示しており、図３（ｂ）は、第一封止樹脂３３６によって封止された状態のパッケージ３０１を示しており、図３（ｃ）は、パッケージ３０１に対応した回路図を示している。
【００３３】
本実施形態に係るパッケージ３０１は、直流電流を複数相の交流電流に変換するインバータ回路において、上アーム回路及び下アーム回路により構成される１相分の直列回路のうちの上アーム回路又は下アーム回路のいずれか一方の１アーム分を構成する。
【００３４】
ＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６は板形状で、その両面に金属接合用の電極が設けられており、コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４が前記ＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６を両面から挟んで配置され、前記電極はコレクタ導体板３１３及びエミッタ導体板３１４に設けられた素子搭載部３１５と金属接合材にて接合されている。
【００３５】
前記金属接合材には、はんだ材やろう材及び金属ナノ粒子や金属マイクロ粒子を用いることができる。第一封止樹脂３５０には、熱硬化性の樹脂材料が適しており、特にフィラーを充填して機械物性を金属に近付けたエポキシ樹脂材が適している。また、ＩＧＢＴ１５５は、代わりにＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。
【００３６】
また、コレクタ導体板３１３には、外部コレクタ端子３１３Ａと内部コレクタ端子３１３Ｂが設けられており、それぞれ素子搭載部３１５における厚み方向の側面から突出している。信号配線３２５Ｕは、外部コレクタ端子３１３Ａと隣り合う位置に配置される。このとき、外部コレクタ端子３１３Ａと信号配線３２５Ｕが同一方向で延び、内部コレクタ端子３１３Ｂはこれに対して反対方向に延びている。
【００３７】
図３（ｂ）に示されるように、パッケージ３０１は、第一封止樹脂３５０の表面３３７から露出したエミッタ導体板３１４の一部により構成される伝熱面３１６を有する。コレクタ導体板３１３も同様に、その一部により構成されかつ第一封止樹脂３５０から露出する伝熱面を有する。この伝熱面３１６は、ＩＧＢＴ１５５及びダイオード１５６の発熱を、後述の絶縁部材３３３を介して冷却器３０４に伝熱する。
【００３８】
１アーム分のパッケージ３０１を用いた上下アーム直列回路の形成について説明する。
【００３９】
図４（ａ）は、パッケージ３０１及び反転させたパッケージ３０１′とバスバーコネクタ３１７の接続構造を示しており、図４（ｂ）は、その回路図を示している。
【００４０】
パッケージ３０１′は、図３にて説示したパッケージ３０１を反転され、かつパッケージ３０１の側方に配置される。
【００４１】
パッケージ３０１の外部コレクタ端子３１３Ａの主面と、もう一方のパッケージ３０１′の外部エミッタ端子３１４Ａ′の主面とが、同一面となるように、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′が配置される。
【００４２】
外部コレクタ端子３１３Ａは、バスバーコネクタ３１７の正極接続端子３１８Ｂと接続される。外部エミッタ端子３１４Ａ′は、バスバーコネクタ３１７の負極接続端子３１９Ｂと接続される。また、外部コレクタ端子３１３Ａ′は、バスバーコネクタ３１７の交流接続端子３２０Ｂと接続される。
【００４３】
中間接続導体３２１は、上アーム回路を構成するパッケージ３０１と下アーム回路を構成するパッケージ３０１′とを冷却器３０４内で接続する。中間接続導体３２１の端子３２１Ａは、内部エミッタ端子３１４Ｂと接続される。中間接続導体３２１の端子３２１Ｂは、内部コレクタ端子３１３Ｂ′と接続される。これらの接続は、溶接及びろう付けといった金属接合によって行われる。
【００４４】
コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４及び中間接続導体３２１には、熱伝導率が高く、プレス加工や押し出し加工で成形できる材料がモジュール冷却性能と生産性の点で適しており、候補にはＣｕ合金系やＡｌ合金系の材料が考えられる。
【００４５】
バスバーコネクタ３１７は、正極導体３１８と、負極導体３１９と、交流導体３２０と、正極導体３１８と負極導体３１９との間に配置された絶縁部材３６０と、により構成される。正極導体３１８は、一方の端部に正極端子３１８Ａを、他方の端部に正極接続端子３１８Ｂをインサート成型等で一体に成型される。負極導体３１９は、一方の端部に負極端子３１９Ａを、他方の端部に負極接続端子３１９Ｂをインサート成型等で一体に成型される。交流導体３２０は、一方の端部に交流端子３２０Ａを、他方の端部に交流接続端子３２０Ｂをインサート成型等で一体に成型される。成型材にはＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といった高耐熱な熱可塑性樹脂が適している。
【００４６】
負極端子３１９Ａと正極端子３１８Ａが対向して形成されるように、正極導体３１８と負極導体３１９はそれぞれ屈曲して構成される。絶縁部材３６０は正極導体３１８と負極導体３１９の間に配置され、正極導体３１８と負極導体３１９が絶縁部材３６０を介した積層状態となるので、正極導体３１８と負極導体３１９は配線インダクタンス化の低減が図られている。
【００４７】
以上の様にして図４（ｂ）に示される上下アーム直列回路が形成される。なお未使用の端子は切断される。このように、上アーム回路部を構成するパッケージ３０１と、下アーム回路部を構成するパッケージ３０１′とを別々にモジュール化をして製造することにより、一つの導体板に対するスイッチング素子を接合する金属接合部材の接触箇所を少なく抑えることができる。よって、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′の生産性及び歩留まりを向上させることができる。
【００４８】
図５（ａ）は、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′のそれぞれの第一封止樹脂３５０の表面３３７及び３３７′と絶縁部材３３３及び３３３′との接合工程を示す図であり、図５（ｂ）は、絶縁部材３３３及び３３３′が接合されたパッケージ３０１及び３０１′の断面図である。
【００４９】
絶縁部材３３３は２つ設けられ、一方の絶縁部材３３３はパッケージ３０１の一方の表面３３７及び伝熱面３１６を覆うようにパッケージ３０１に接合され、他方の絶縁部材３３３はパッケージ３０１の他方の表面及び伝熱面を覆うようにパッケージ３０１に接合される。絶縁部材３３３′についても同様にパッケージ３０１′に接合される。この段階の工程にて、パッケージ３０１及び３０１′と絶縁部材３３３及び３３３′の位置決めを行う。
【００５０】
絶縁部材３３３及び３３３′には、熱により融解した状態で外部から圧力をかける熱圧着によって接着性を発現する材料がボイドの低減や表面追従性の観点から適しており、樹脂絶縁シート材や絶縁性接着材が考えられる。
【００５１】
図６（ａ）は、パッケージ３０１を冷却器３０４に挿入する工程を示す斜視図である。図６（ｂ）及び（ｃ）は冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１と接合する工程を示す断面図である。
【００５２】
図６（ａ）に示されるように、絶縁部材３３３と３３３′が仮付けされた２個のパッケージ３０１と３０１′が、冷却器３０４のフランジ３０４Ａに形成された挿入口３０６から挿入される。
【００５３】
図６（ｂ）に示されるように、パッケージ３０１とパッケージ３０１′は、冷却器３０４の内壁の下方側に形成される接合面３０８と接合面３０８′にそれぞれ配置される。
【００５４】
そして図６（ｃ）に示されるように、高温下で冷却器３０４を外部から加圧して冷却器３０４の薄肉部３０５を変位させ、冷却器３０４の内壁の上方側に形成される接合面３０８と３０８′と絶縁部材３３３と３３３′をそれぞれ接合する。
【００５５】
冷却器３０４の第１放熱部３０４Ｂは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｂを形成する。このベース部３０７Ｂの厚さは、第１放熱部３０４Ｂの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。同様に第１放熱部３０４Ｂは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３′と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｂ′を形成する。このベース部３０７Ｂ′の厚さは、第１放熱部３０４Ｂの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。
【００５６】
同様に、冷却器３０４の第２放熱部３０４Ｃは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｃを形成する。このベース部３０７Ｃの厚さは、第２放熱部３０４Ｃの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。同様に第２放熱部３０４Ｃは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３′と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｃ′を形成する。このベース部３０７Ｃ′の厚さは、第２放熱部３０４Ｃの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。
【００５７】
上記の構成のように第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃがパッケージ３０１及びパッケージ３０１′に対応するようにして薄肉部３０５を設けて分割されているので、それぞれの絶縁部材３３３及び絶縁部材３３３′の表面の傾きに合わせて、薄肉部３０５が変位することができる。
【００５８】
図７（ａ）は、冷却器３０４のベース部３０７Ｃの反り３１１とベース部３０７Ｂの傾き３１２を示す断面図である。図７（ｂ）は、薄肉部３０５が変位して、冷却器３０４とパッケージ３０１及びパッケージ３０１′が接合した状態を示す断面図である。
【００５９】
ベース部３０７Ｃの反り３１１は、フィン３０９の加工時や接合面３０８の加工時に発生するおそれがある。またベース部３０７Ｂの傾き３１２は、冷却器３０４全体を形成する際に発生するおそれがある。生産性の観点では、本実施形態のように２つのパッケージ３０１及びパッケージ３０１′を接続することで冷却器３０４との接触面積が増えるため、冷却器３０４，パッケージ３０１及びパッケージ３０１′の製造時に発生する反りやバラツキの影響で絶縁部材３３３及び必要な場合に用いられるグリースの厚みのバラツキや接触不良を引き起こし、結果的にパワー半導体モジュール３００の絶縁性能の劣化を引き起こしてしまうおそれがある。
【００６０】
しかしながら本実施形態においては、薄肉部３０５がこの反り３１１や傾き３１２を吸収するように微小変位することができる。ゆえに高温下で加圧して絶縁部材３３３及び絶縁部材３３３′表面と冷却器３０４を接合する際に、各薄肉部３０５が変位し、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′もそれぞれ微小に傾いて、第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃとパッケージ３０１及びパッケージ３０１′とが反り３１１及び傾き３１２に追従して接合される。
【００６１】
なお本実施形態においては、第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃの双方に薄肉部３０５を形成したが、第１放熱部３０４Ｂまたは第２放熱部３０４Ｃの一方のみに薄肉部３０５が形成されていてもよい。
【００６２】
図８（ａ）は、ＩＧＢＴ１５５のスイッチング動作時において、上アーム回路部と下アーム回路部を貫通する過渡電流の１つ、ダイオード１５６のリカバリー電流１００の経路を示した回路図である。図８（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００に流れるリカバリー電流１００の経路を示した斜視図である。５００は、バッテリから供給される直流電流を平滑化するための平滑コンデンサである。
【００６３】
図８（ａ）に示すように、上アーム回路側のＩＧＢＴ１５５がターンＯＮして導通する場合について説明する。このとき、下アーム回路側のダイオード１５６は順方向バイアス状態から逆方向バイアス状態に移行し、これに伴ってダイオード１５６内部のキャリアが再結合する際にリカバリー電流１００が流れる。
【００６４】
本実施形態においては、バスバーコネクタ３１７の負極導体３１９と正極導体３１８が対向して配置されていることにより、同一な電流が逆方向に流れて磁界３６２Ｕを生じさせて、配線インダクタンス３６３Ｕ及び３６３Ｌが低減される。
【００６５】
またエミッタ導体板３１４及びコレクタ導体板３１３′は絶縁部材３３３を介して金属製の冷却器３０４と近接して配置されている。同様にコレクタ導体板３１３及びエミッタ導体板３１４′は絶縁部材３３３を介して金属製の冷却器３０４と近接して配置されている。さらに中間接続導体３２１は、金属製の冷却器３０４内であってパッケージ３０１及びパッケージ３０１′を介して冷却器３０４の挿入口３０６とは反対側に配置されている。これにより、パワー半導体モジュール３００は、リカバリー電流１００が流れる際に、これと逆方向に流れる渦電流１０１が、金属製の冷却器３０４に発生する。特に、中間接続導体３２１が前記のように配置されることにより、渦電流１０１が円形に近い形状に沿って流れることになるので配線インダクタンスの低減効果が向上する。
【００６６】
この渦電流１０１は、リカバリー電流１００が発生する磁界を打ち消す方向に磁界３６２Ｍを発生させて、磁界を相殺する様に働き、冷却器３０４内部における配線インダクタンス３６３Ｍを低減することができる。
【００６７】
図９は、パワー半導体モジュール３００を電力変換装置の筺体１２へ組み付ける工程を説明した図である。筺体１２は、冷却媒体が流れる流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａを備える。冷却ジャケット１９Ａは、その上部に開口１９Ｂが形成され、かつ、流路１９を介して開口１９Ｂと対向する側に開口１９Ｃが形成される。開口１９Ｂからパワー半導体モジュール３００が挿入され、シール８００と冷却器３０４のフランジ３０４Ａにより冷媒の漏れが防止される。冷媒としては例えば水が使用され、上記冷媒は上アーム回路と下アーム回路が配置されている方向に沿って、すなわちパワー半導体モジュール３００の挿入方向に対してこれを横切る方向に沿って流れる。
【００６８】
本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００は、パッケージ３０１に内蔵された上アーム回路部と、パッケージ３０１′に内蔵された下アーム回路部が、冷媒の流れの方向に沿って並べて配置されているので、パワー半導体モジュール３００の厚みが薄くなり、冷媒の流れに対する流体抵抗が抑えられる。
【符号の説明】
【００６９】
３００ パワー半導体モジュール
３０１，３０１′ パッケージ
３０４ 冷却器
３０４Ａ フランジ
３０４Ｂ 第１の放熱部
３０４Ｃ 第２の放熱部
３０５ 薄肉部
３０６ 挿入口
３０７Ｂ，３０７Ｂ′，３０７Ｃ，３０７Ｃ′ ベース部
３０８，３０８′ 接合面
３０９ フィン
３１７ バスバーコネクタ
３３３，３３３′ 絶縁部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給するパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置では、大電流を出力することができるものが求められている一方、小型化も要求されている。電力変換装置が大電流を出力しようとすると、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子で発生する熱が大きくなり、パワー半導体モジュールや電力変換装置の熱容量を大きくしなければパワー半導体素子の耐熱温度に達してしまい、小型化の妨げとなる。そこでパワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体モジュールが開発されている。
【０００３】
上記両面冷却型パワー半導体モジュールは上記パワー半導体素子の両主面を板状導体であるリードフレームで挟み込み、パワー半導体素子の主面と対向する面と反対側のリードフレームの面が冷却媒体と熱的に接続され、冷却される。
【０００４】
特許文献１にはパワー半導体素子を一対の金属体で挟んだものをモールド樹脂にて封止してなる半導体パッケージ同士を、バスバーを介することなく電気的に接続するために前記金属体に接続端子を設けてこれを電気的に接続して半導体装置を構成するという発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３５６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体パッケージが１相分の上アーム回路及び下アーム回路を１つのパッケージとして、かつ３相分設ける場合には、３つの半導体パッケージを設ける必要がある。さらに半導体パッケージが１相分の上アーム回路または下アーム回路を１つのパッケージとして、かつ３相分設ける場合には、６個の半導体パッケージを設ける必要がある。出力電流が増大した場合には、上アーム回路または下アーム回路において半導体パッケージを電気的に並列に接続させる場合が想定され、さらに半導体パッケージの数が多くなる。そのため半導体パッケージの生産性の向上が重要になる。
【０００７】
一方で、生産性の向上が配線インダクタンスの増大に繋がってしまうと、電力変換装置の出力の増大の妨げとなってしまう。例えば、上アーム回路及び下アーム回路を構成するインバータ回路のスイッチング動作時には、上下アームを貫通する過渡電流が流れ、これが配線の寄生インダクタンスの影響を受けて跳ね上がり電圧やサージ及びノイズの原因となりパワー半導体素子の損失増大や誤動作の原因となる。
【０００８】
本発明の課題は、生産性の低下を抑制するとともに配線インダクタンスの低減を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワー半導体モジュール及びそれを備えた電力変換装置は、インバータ回路を構成する上アーム回路部を有する第１パッケージと、インバータ回路を構成する下アーム回路部を有する第２パッケージと、前記第１パッケージ及び前記第２パッケージを収納するための収納空間及び当該収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体と、を備え、前記ケースは、第１放熱部と、前記収納空間を介して当該第１放熱部と対向する第２放熱部とを含んで構成され、前記第１パッケージは、当該第１パッケージと前記第２パッケージとの配置方向が前記第１放熱部と前記第２放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、
前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１パッケージから延びるエミッタ側端子と前記第２パッケージから延びるコレクタ側端子とを接続される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、生産性の低下を抑制することができるとともに配線インダクタンスの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の断面図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の内部構造を示しており、（ｂ）は、第一封止樹脂３３６によって封止された状態のパッケージ３０１を示しており、（ｃ）は、パッケージ３０１に対応した回路図を示している。
【図４】（ａ）は、パッケージ３０１及び反転させたパッケージ３０１′とバスバーコネクタ３１７の接続構造を示しており、（ｂ）は、（ａ）に対応した回路図を示している。
【図５】（ａ）は、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′のそれぞれの第一封止樹脂３５０の表面３３７及び３３７′と絶縁部材３３３及び３３３′との接合工程を示す図であり、（ｂ）は、絶縁部材３３３及び３３３′が接合されたパッケージ３０１及び３０１′の断面図である。
【図６】（ａ）は、パッケージ３０１を冷却器３０４に挿入する工程を示す斜視図である。（ｂ）及び（ｃ）は冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１と接合する工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、冷却器３０４のベース部３０７Ｃの反り３１１とベース部３０７Ｂの傾き３１２を示す断面図である。（ｂ）は、薄肉部３０５が変位して、冷却器３０４とパッケージ３０１及びパッケージ３０１′が接合した状態を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、ＩＧＢＴ１５５のスイッチング動作時において、上アーム回路部と下アーム回路部を貫通する過渡電流の１つ、ダイオード１５６のリカバリー電流１００の経路を示した回路図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００に流れるリカバリー電流１００の経路を示した斜視図である。
【図９】パワー半導体モジュール３００を電力変換装置の筺体１２へ組み付ける工程を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１３】
〔実施例〕
本実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【００１５】
本実施形態に係る電力変換装置では、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。
【００１６】
車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。
【００１７】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１８】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記す。
【００１９】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００２０】
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００２１】
インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００２２】
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００２３】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２４】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ４３装置に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
【００２５】
図２乃至図６を用いて本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００を説明する。
【００２６】
図２（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の斜視図であり、図２（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の断面図である。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６は、コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４により両面からそれぞれ挟まれている。コレクタ導体板３１３はＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極及びダイオード１５６のアノード電極と金属接合材を介して接続され、エミッタ導体板３１４はＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極及びダイオード１５６のカソード電極と金属接合材を介して固着される。
【００２８】
後述されるバスバーコネクタ３１７は、各部配線と端子部を一体成型して構成され、冷却器３０４内部から外部に向かって延びる端子と接続される。
【００２９】
冷却器３０４は、金属製であり、具体的にはアルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等で構成され、かつ挿入口３０６以外に開口を設けないように構成されるケース部材である。冷却器３０４の挿入口３０６が形成される面にはフランジ３０４Ａが形成される。また冷却器３０４は、他の冷却器３０４の面より広い面を有する第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃが互いに対向した状態で配置される。なお冷却器３０４は、正確な直方体である必要が無く、角が曲面していても良い。冷却器３０４がこのような金属製の有底筒状のケースとすることで、水や油などの冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体に対するシールをフランジ３０４Ａにて確保できるため、冷却媒体が冷却器３０４の内部及び端子部分に侵入するのを、簡易な構成にて防ぐことができる。
【００３０】
また第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃの外壁にはフィン３０９が均一に形成されている。第１放熱部３０４Ｂを囲む外周部及び第２の放熱部３０４Ｃを囲む外周部には、第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４Ｃの厚みよりも薄くなっている薄肉部３０５が形成されている。薄肉部３０５は、フィン３０９を加圧することにより、第１放熱部３０４Ｂ及び第２の放熱部３０４が変形することなく薄肉部３０５が変形することができる程度までその厚みを薄くしてある。これにより、ＩＧＢＴ１５５やコレクタ導体板３１３等により構成されるパッケージ３０１が冷却器３０４に挿入された後、薄肉部３０５を変位させて、絶縁部材３３３を介して冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１の表面とを接合することができる。
【００３１】
パッケージ３０１は、ＩＧＢＴ１５５やコレクタ導体板３１３等を第一封止樹脂３５０により封止されるように構成され、パッケージ３０１の全体が冷却器３０４の中に挿入される。冷却器３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１が充填される。
【００３２】
図３（ａ）は、本実施形態に係るパッケージ３０１の内部構造を示しており、図３（ｂ）は、第一封止樹脂３３６によって封止された状態のパッケージ３０１を示しており、図３（ｃ）は、パッケージ３０１に対応した回路図を示している。
【００３３】
本実施形態に係るパッケージ３０１は、直流電流を複数相の交流電流に変換するインバータ回路において、上アーム回路及び下アーム回路により構成される１相分の直列回路のうちの上アーム回路又は下アーム回路のいずれか一方の１アーム分を構成する。
【００３４】
ＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６は板形状で、その両面に金属接合用の電極が設けられており、コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４が前記ＩＧＢＴ１５５とダイオード１５６を両面から挟んで配置され、前記電極はコレクタ導体板３１３及びエミッタ導体板３１４に設けられた素子搭載部３１５と金属接合材にて接合されている。
【００３５】
前記金属接合材には、はんだ材やろう材及び金属ナノ粒子や金属マイクロ粒子を用いることができる。第一封止樹脂３５０には、熱硬化性の樹脂材料が適しており、特にフィラーを充填して機械物性を金属に近付けたエポキシ樹脂材が適している。また、ＩＧＢＴ１５５は、代わりにＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。
【００３６】
また、コレクタ導体板３１３には、外部コレクタ端子３１３Ａと内部コレクタ端子３１３Ｂが設けられており、それぞれ素子搭載部３１５における厚み方向の側面から突出している。信号配線３２５Ｕは、外部コレクタ端子３１３Ａと隣り合う位置に配置される。このとき、外部コレクタ端子３１３Ａと信号配線３２５Ｕが同一方向で延び、内部コレクタ端子３１３Ｂはこれに対して反対方向に延びている。
【００３７】
図３（ｂ）に示されるように、パッケージ３０１は、第一封止樹脂３５０の表面３３７から露出したエミッタ導体板３１４の一部により構成される伝熱面３１６を有する。コレクタ導体板３１３も同様に、その一部により構成されかつ第一封止樹脂３５０から露出する伝熱面を有する。この伝熱面３１６は、ＩＧＢＴ１５５及びダイオード１５６の発熱を、後述の絶縁部材３３３を介して冷却器３０４に伝熱する。
【００３８】
１アーム分のパッケージ３０１を用いた上下アーム直列回路の形成について説明する。
【００３９】
図４（ａ）は、パッケージ３０１及び反転させたパッケージ３０１′とバスバーコネクタ３１７の接続構造を示しており、図４（ｂ）は、その回路図を示している。
【００４０】
パッケージ３０１′は、図３にて説示したパッケージ３０１を反転され、かつパッケージ３０１の側方に配置される。
【００４１】
パッケージ３０１の外部コレクタ端子３１３Ａの主面と、もう一方のパッケージ３０１′の外部エミッタ端子３１４Ａ′の主面とが、同一面となるように、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′が配置される。
【００４２】
外部コレクタ端子３１３Ａは、バスバーコネクタ３１７の正極接続端子３１８Ｂと接続される。外部エミッタ端子３１４Ａ′は、バスバーコネクタ３１７の負極接続端子３１９Ｂと接続される。また、外部コレクタ端子３１３Ａ′は、バスバーコネクタ３１７の交流接続端子３２０Ｂと接続される。
【００４３】
中間接続導体３２１は、上アーム回路を構成するパッケージ３０１と下アーム回路を構成するパッケージ３０１′とを冷却器３０４内で接続する。中間接続導体３２１の端子３２１Ａは、内部エミッタ端子３１４Ｂと接続される。中間接続導体３２１の端子３２１Ｂは、内部コレクタ端子３１３Ｂ′と接続される。これらの接続は、溶接及びろう付けといった金属接合によって行われる。
【００４４】
コレクタ導体板３１３とエミッタ導体板３１４及び中間接続導体３２１には、熱伝導率が高く、プレス加工や押し出し加工で成形できる材料がモジュール冷却性能と生産性の点で適しており、候補にはＣｕ合金系やＡｌ合金系の材料が考えられる。
【００４５】
バスバーコネクタ３１７は、正極導体３１８と、負極導体３１９と、交流導体３２０と、正極導体３１８と負極導体３１９との間に配置された絶縁部材３６０と、により構成される。正極導体３１８は、一方の端部に正極端子３１８Ａを、他方の端部に正極接続端子３１８Ｂをインサート成型等で一体に成型される。負極導体３１９は、一方の端部に負極端子３１９Ａを、他方の端部に負極接続端子３１９Ｂをインサート成型等で一体に成型される。交流導体３２０は、一方の端部に交流端子３２０Ａを、他方の端部に交流接続端子３２０Ｂをインサート成型等で一体に成型される。成型材にはＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といった高耐熱な熱可塑性樹脂が適している。
【００４６】
負極端子３１９Ａと正極端子３１８Ａが対向して形成されるように、正極導体３１８と負極導体３１９はそれぞれ屈曲して構成される。絶縁部材３６０は正極導体３１８と負極導体３１９の間に配置され、正極導体３１８と負極導体３１９が絶縁部材３６０を介した積層状態となるので、正極導体３１８と負極導体３１９は配線インダクタンス化の低減が図られている。
【００４７】
以上の様にして図４（ｂ）に示される上下アーム直列回路が形成される。なお未使用の端子は切断される。このように、上アーム回路部を構成するパッケージ３０１と、下アーム回路部を構成するパッケージ３０１′とを別々にモジュール化をして製造することにより、一つの導体板に対するスイッチング素子を接合する金属接合部材の接触箇所を少なく抑えることができる。よって、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′の生産性及び歩留まりを向上させることができる。
【００４８】
図５（ａ）は、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′のそれぞれの第一封止樹脂３５０の表面３３７及び３３７′と絶縁部材３３３及び３３３′との接合工程を示す図であり、図５（ｂ）は、絶縁部材３３３及び３３３′が接合されたパッケージ３０１及び３０１′の断面図である。
【００４９】
絶縁部材３３３は２つ設けられ、一方の絶縁部材３３３はパッケージ３０１の一方の表面３３７及び伝熱面３１６を覆うようにパッケージ３０１に接合され、他方の絶縁部材３３３はパッケージ３０１の他方の表面及び伝熱面を覆うようにパッケージ３０１に接合される。絶縁部材３３３′についても同様にパッケージ３０１′に接合される。この段階の工程にて、パッケージ３０１及び３０１′と絶縁部材３３３及び３３３′の位置決めを行う。
【００５０】
絶縁部材３３３及び３３３′には、熱により融解した状態で外部から圧力をかける熱圧着によって接着性を発現する材料がボイドの低減や表面追従性の観点から適しており、樹脂絶縁シート材や絶縁性接着材が考えられる。
【００５１】
図６（ａ）は、パッケージ３０１を冷却器３０４に挿入する工程を示す斜視図である。図６（ｂ）及び（ｃ）は冷却器３０４の内壁とパッケージ３０１と接合する工程を示す断面図である。
【００５２】
図６（ａ）に示されるように、絶縁部材３３３と３３３′が仮付けされた２個のパッケージ３０１と３０１′が、冷却器３０４のフランジ３０４Ａに形成された挿入口３０６から挿入される。
【００５３】
図６（ｂ）に示されるように、パッケージ３０１とパッケージ３０１′は、冷却器３０４の内壁の下方側に形成される接合面３０８と接合面３０８′にそれぞれ配置される。
【００５４】
そして図６（ｃ）に示されるように、高温下で冷却器３０４を外部から加圧して冷却器３０４の薄肉部３０５を変位させ、冷却器３０４の内壁の上方側に形成される接合面３０８と３０８′と絶縁部材３３３と３３３′をそれぞれ接合する。
【００５５】
冷却器３０４の第１放熱部３０４Ｂは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｂを形成する。このベース部３０７Ｂの厚さは、第１放熱部３０４Ｂの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。同様に第１放熱部３０４Ｂは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３′と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｂ′を形成する。このベース部３０７Ｂ′の厚さは、第１放熱部３０４Ｂの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。
【００５６】
同様に、冷却器３０４の第２放熱部３０４Ｃは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｃを形成する。このベース部３０７Ｃの厚さは、第２放熱部３０４Ｃの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。同様に第２放熱部３０４Ｃは、冷却器３０４の内壁側において、絶縁部材３３３′と対向するとともに所定の厚さであるベース部３０７Ｃ′を形成する。このベース部３０７Ｃ′の厚さは、第２放熱部３０４Ｃの外周に形成される薄肉部３０５の厚さよりも大きく形成される。
【００５７】
上記の構成のように第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃがパッケージ３０１及びパッケージ３０１′に対応するようにして薄肉部３０５を設けて分割されているので、それぞれの絶縁部材３３３及び絶縁部材３３３′の表面の傾きに合わせて、薄肉部３０５が変位することができる。
【００５８】
図７（ａ）は、冷却器３０４のベース部３０７Ｃの反り３１１とベース部３０７Ｂの傾き３１２を示す断面図である。図７（ｂ）は、薄肉部３０５が変位して、冷却器３０４とパッケージ３０１及びパッケージ３０１′が接合した状態を示す断面図である。
【００５９】
ベース部３０７Ｃの反り３１１は、フィン３０９の加工時や接合面３０８の加工時に発生するおそれがある。またベース部３０７Ｂの傾き３１２は、冷却器３０４全体を形成する際に発生するおそれがある。生産性の観点では、本実施形態のように２つのパッケージ３０１及びパッケージ３０１′を接続することで冷却器３０４との接触面積が増えるため、冷却器３０４，パッケージ３０１及びパッケージ３０１′の製造時に発生する反りやバラツキの影響で絶縁部材３３３及び必要な場合に用いられるグリースの厚みのバラツキや接触不良を引き起こし、結果的にパワー半導体モジュール３００の絶縁性能の劣化を引き起こしてしまうおそれがある。
【００６０】
しかしながら本実施形態においては、薄肉部３０５がこの反り３１１や傾き３１２を吸収するように微小変位することができる。ゆえに高温下で加圧して絶縁部材３３３及び絶縁部材３３３′表面と冷却器３０４を接合する際に、各薄肉部３０５が変位し、パッケージ３０１及びパッケージ３０１′もそれぞれ微小に傾いて、第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃとパッケージ３０１及びパッケージ３０１′とが反り３１１及び傾き３１２に追従して接合される。
【００６１】
なお本実施形態においては、第１放熱部３０４Ｂ及び第２放熱部３０４Ｃの双方に薄肉部３０５を形成したが、第１放熱部３０４Ｂまたは第２放熱部３０４Ｃの一方のみに薄肉部３０５が形成されていてもよい。
【００６２】
図８（ａ）は、ＩＧＢＴ１５５のスイッチング動作時において、上アーム回路部と下アーム回路部を貫通する過渡電流の１つ、ダイオード１５６のリカバリー電流１００の経路を示した回路図である。図８（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００に流れるリカバリー電流１００の経路を示した斜視図である。５００は、バッテリから供給される直流電流を平滑化するための平滑コンデンサである。
【００６３】
図８（ａ）に示すように、上アーム回路側のＩＧＢＴ１５５がターンＯＮして導通する場合について説明する。このとき、下アーム回路側のダイオード１５６は順方向バイアス状態から逆方向バイアス状態に移行し、これに伴ってダイオード１５６内部のキャリアが再結合する際にリカバリー電流１００が流れる。
【００６４】
本実施形態においては、バスバーコネクタ３１７の負極導体３１９と正極導体３１８が対向して配置されていることにより、同一な電流が逆方向に流れて磁界３６２Ｕを生じさせて、配線インダクタンス３６３Ｕ及び３６３Ｌが低減される。
【００６５】
またエミッタ導体板３１４及びコレクタ導体板３１３′は絶縁部材３３３を介して金属製の冷却器３０４と近接して配置されている。同様にコレクタ導体板３１３及びエミッタ導体板３１４′は絶縁部材３３３を介して金属製の冷却器３０４と近接して配置されている。さらに中間接続導体３２１は、金属製の冷却器３０４内であってパッケージ３０１及びパッケージ３０１′を介して冷却器３０４の挿入口３０６とは反対側に配置されている。これにより、パワー半導体モジュール３００は、リカバリー電流１００が流れる際に、これと逆方向に流れる渦電流１０１が、金属製の冷却器３０４に発生する。特に、中間接続導体３２１が前記のように配置されることにより、渦電流１０１が円形に近い形状に沿って流れることになるので配線インダクタンスの低減効果が向上する。
【００６６】
この渦電流１０１は、リカバリー電流１００が発生する磁界を打ち消す方向に磁界３６２Ｍを発生させて、磁界を相殺する様に働き、冷却器３０４内部における配線インダクタンス３６３Ｍを低減することができる。
【００６７】
図９は、パワー半導体モジュール３００を電力変換装置の筺体１２へ組み付ける工程を説明した図である。筺体１２は、冷却媒体が流れる流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａを備える。冷却ジャケット１９Ａは、その上部に開口１９Ｂが形成され、かつ、流路１９を介して開口１９Ｂと対向する側に開口１９Ｃが形成される。開口１９Ｂからパワー半導体モジュール３００が挿入され、シール８００と冷却器３０４のフランジ３０４Ａにより冷媒の漏れが防止される。冷媒としては例えば水が使用され、上記冷媒は上アーム回路と下アーム回路が配置されている方向に沿って、すなわちパワー半導体モジュール３００の挿入方向に対してこれを横切る方向に沿って流れる。
【００６８】
本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００は、パッケージ３０１に内蔵された上アーム回路部と、パッケージ３０１′に内蔵された下アーム回路部が、冷媒の流れの方向に沿って並べて配置されているので、パワー半導体モジュール３００の厚みが薄くなり、冷媒の流れに対する流体抵抗が抑えられる。
【符号の説明】
【００６９】
３００ パワー半導体モジュール
３０１，３０１′ パッケージ
３０４ 冷却器
３０４Ａ フランジ
３０４Ｂ 第１の放熱部
３０４Ｃ 第２の放熱部
３０５ 薄肉部
３０６ 挿入口
３０７Ｂ，３０７Ｂ′，３０７Ｃ，３０７Ｃ′ ベース部
３０８，３０８′ 接合面
３０９ フィン
３１７ バスバーコネクタ
３３３，３３３′ 絶縁部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路を構成する上アーム回路部を有する第１パッケージと、インバータ回路を構成する下アーム回路部を有する第２パッケージと、前記第１パッケージ及び前記第２パッケージを収納するための収納空間及び当該収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体と、を備え、
前記ケースは、第１放熱部と、前記収納空間を介して当該第１放熱部と対向する第２放熱部とを含んで構成され、
前記第１パッケージは、第１半導体チップと、当該第１半導体チップを挟み込む第１導体板及び第２導体板と、当該第１導体板と接続された第１コレクタ側端子と、当該第２導体板と接続された第１エミッタ側端子と、当該第１導体板及び当該第２導体板の一部と前記第１半導体チップを封止する第１封止材と、を有し、
前記第２パッケージは、第２半導体チップと、当該第２半導体チップを挟み込む第３導体板及び第４導体板と、当該第３導体板と接続されたコレクタ側端子と、当該第４導体板と接続された第２エミッタ側端子と、第３導体板及び第４導体板の一部と前記第２半導体チップを封止する第２封止材とを有し、
さらに前記第１パッケージは、当該第１パッケージと前記第２パッケージとの配置方向が前記第１放熱部と前記第２放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、
前記第１コレクタ側端子及び前記第２エミッタ側端子は前記ケースの前記開口から当該ケースの外部に突出しており、
前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１エミッタ側端子と前記第２コレクタ側端子とを接続するパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記第１放熱部又は前記第２放熱部の一方は、前記第１パッケージと対向する第１部分を囲むとともに当該第１部分よりも薄く形成された第１薄肉部と、前記第２パッケージと対向する第２部分を囲むとともに当該第２部分よりも薄く形成された第２薄肉部と、を含んで構成されるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記第１コレクタ側端子と接続される正極側バスバーと、前記第２エミッタ側端子と接続されるとともに当該正極側バスバーと絶縁部材を介して対向する部分を有する負極側バスバーと、を有するバスバーコネクタを備えるパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記中間接続導体は、前記第１パッケージと前記第２パッケージを介して、前記ケースの前記開口とは反対側に配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールを備える電力変換装置であって、
冷却冷媒を流すための流路を形成する冷却ジャケットを備え、
前記ケースは、前記第１放熱部及び前記第２放熱部が前記流路内に配置されるように前記冷却ジャケットに固定され、
前記第１放熱部及び前記第２放熱部は、冷却冷媒と直接接触する電力変換装置。
【請求項１】
インバータ回路を構成する上アーム回路部を有する第１パッケージと、インバータ回路を構成する下アーム回路部を有する第２パッケージと、前記第１パッケージ及び前記第２パッケージを収納するための収納空間及び当該収納空間と繋がる開口を形成する金属製のケースと、前記上アーム回路部と前記下アーム回路部とを接続する中間接続導体と、を備え、
前記ケースは、第１放熱部と、前記収納空間を介して当該第１放熱部と対向する第２放熱部とを含んで構成され、
前記第１パッケージは、第１半導体チップと、当該第１半導体チップを挟み込む第１導体板及び第２導体板と、当該第１導体板と接続された第１コレクタ側端子と、当該第２導体板と接続された第１エミッタ側端子と、当該第１導体板及び当該第２導体板の一部と前記第１半導体チップを封止する第１封止材と、を有し、
前記第２パッケージは、第２半導体チップと、当該第２半導体チップを挟み込む第３導体板及び第４導体板と、当該第３導体板と接続されたコレクタ側端子と、当該第４導体板と接続された第２エミッタ側端子と、第３導体板及び第４導体板の一部と前記第２半導体チップを封止する第２封止材とを有し、
さらに前記第１パッケージは、当該第１パッケージと前記第２パッケージとの配置方向が前記第１放熱部と前記第２放熱部とのそれぞれの対向面と平行になるように配置され、
前記第１コレクタ側端子及び前記第２エミッタ側端子は前記ケースの前記開口から当該ケースの外部に突出しており、
前記中間接続導体は、前記ケースの前記収納空間において前記第１エミッタ側端子と前記第２コレクタ側端子とを接続するパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記第１放熱部又は前記第２放熱部の一方は、前記第１パッケージと対向する第１部分を囲むとともに当該第１部分よりも薄く形成された第１薄肉部と、前記第２パッケージと対向する第２部分を囲むとともに当該第２部分よりも薄く形成された第２薄肉部と、を含んで構成されるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記第１コレクタ側端子と接続される正極側バスバーと、前記第２エミッタ側端子と接続されるとともに当該正極側バスバーと絶縁部材を介して対向する部分を有する負極側バスバーと、を有するバスバーコネクタを備えるパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記中間接続導体は、前記第１パッケージと前記第２パッケージを介して、前記ケースの前記開口とは反対側に配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールを備える電力変換装置であって、
冷却冷媒を流すための流路を形成する冷却ジャケットを備え、
前記ケースは、前記第１放熱部及び前記第２放熱部が前記流路内に配置されるように前記冷却ジャケットに固定され、
前記第１放熱部及び前記第２放熱部は、冷却冷媒と直接接触する電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−９５０１（Ｐ２０１３−９５０１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４００５９（Ｐ２０１１−１４００５９）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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